特開 2022-186142 金属造形物の製造方法及び金属造形物の製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022186142

(43)【公開日】2022-12-15

(54)【発明の名称】金属造形物の製造方法及び金属造形物の製造装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20221208BHJP

   B23K 9/032 20060101ALI20221208BHJP

   B23K 31/00 20060101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

B23K9/04 G

B23K9/04 Z

B23K9/032 Z

B23K31/00 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021094220

(22)【出願日】2021-06-04

(71)【出願人】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】山縣 侑加

【テーマコード（参考）】

4E081

【Ｆターム（参考）】

4E081DA14

4E081EA24

(57)【要約】

【課題】金属造形物の表面に大きな凹凸が形成されることを抑制することができる金属造形物の製造方法及び金属造形物の製造装置を提供する。
【解決手段】金属造形物の製造方法は、母材に金属造形物を成形する金属造形物の製造方法であって、母材を温度調整部に接触した状態で設置する母材設置工程Ｓ１と、母材に溶融させた金属材料を積層して金属造形物を成形する金属積層工程Ｓ２と、を備え、金属積層工程は、温度調整部で母材を加熱し、予め温める加熱工程を行った後、母材に金属造形物を成形する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材に金属造形物を成形する金属造形物の製造方法であって、
前記母材を温度調整部に接触した状態で設置する母材設置工程と、
前記母材に溶融させた金属材料を積層して前記金属造形物を成形する金属積層工程と、を備え、
前記金属積層工程は、前記温度調整部で前記母材を加熱し、予め温める加熱工程を行った後、前記母材に前記金属造形物を成形する
金属造形物の製造方法。

【請求項2】

前記金属積層工程において、前記温度調整部で前記母材を加熱する前記加熱工程を行った後、前記母材を冷却する冷却工程を行う
請求項１に記載の金属造形物の製造方法。

【請求項3】

溶融した金属材料を積層し、金属造形物を成形する造形装置と、
前記造形装置で前記金属造形物を成形しているとき、前記造形装置で金属が積層される母材と接触する温度調整部と、
を備え、
前記温度調整部は、熱を発生させる加熱装置を備えている
金属造形物の製造装置。

【請求項4】

前記母材に前記金属造形物を成形する前に、前記温度調整部の前記加熱装置を稼働させる加熱モードに設定可能な制御部をさらに備えた
請求項３に記載の金属造形物の製造装置。

【請求項5】

前記温度調整部は、周囲の熱を吸収する冷却装置を備え、
前記制御部は、前記加熱モードとした状態で前記母材に前記金属造形物の成形を開始し、前記加熱モードを停止した後、前記温度調整部の前記冷却装置を稼働させる冷却モードに設定可能である
請求項４に記載の金属造形物の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属造形物の製造方法及び金属造形物の製造装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、ＷＡＡＭ（Ｗｉｒｅ ａｒｃ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）の装置構成として、アーク溶接ロボットを用いて金属の積層を行うものが知られている。

【0003】

ＷＡＡＭによる造形時は、アーク溶接の入熱によって造形物への蓄熱が進むため、造形が進むにつれて、ビード幅が増加してしまい、均一な幅での造形が困難であるという問題がある。これを解決するために、造形物を積層して成形する途中において、冷却装置を用いて、造形物を冷却することが知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１４４４４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら特許文献１に記載された方法では、特に造形を開始して間もないうちにおいては、金属が積層された跡として造形物の表面に大きな凹凸が形成される問題点があることが発明者の検討の結果、判明した。

【0006】

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、金属が積層された跡として金属造形物の表面に大きな凹凸が形成されることを抑制することができる金属造形物の製造方法及び金属造形物の製造装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る金属造形物の製造方法は、母材に金属造形物を成形する金属造形物の製造方法であって、前記母材を温度調整部に接触した状態で設置する母材設置工程と、前記母材に溶融させた金属材料を積層して前記金属造形物を成形する金属積層工程と、を備え、前記金属積層工程は、前記温度調整部で前記母材を加熱し、予め温める加熱工程を行った後、前記母材に前記金属造形物を成形する。

【0008】

従来の金属造形物の製造方法では、金属造形物を構成するために溶融した金属で母材の直上に成形された層に加え、母材に成形された層（下地層）上に順次、金属造形物を構成するために溶融した金属で成形された層は、母材に放熱され、すぐに固化してしまう。このため、新たに積層された層は、下地層となじみにくく、金属造形物の表面に大きな凹凸が形成されやすかった。しかしながら、本発明に係る金属造形物の製造方法は、温度調整部によって母材を加熱する。これにより、金属造形物を構成するために溶融した金属で母材の直上に成形された層に加え、母材に成形された層（下地層）上に順次、金属造形物を構成するために溶融した金属で成形された層は、母材に放熱される熱量が減少する。この結果、新たに積層された層は、下地層となじみやすくなるため、金属が積層された跡として金属造形物の表面に大きな凹凸が形成されることを抑制することができる。

【0009】

また、本発明に係る金属造形物の製造方法は、前記金属積層工程において、前記温度調整部で前記母材を加熱する前記加熱工程を行った後、前記母材を冷却する冷却工程を行ってもよい。

【0010】

このように構成された金属造形物の製造方法では、金属積層工程で、温度調整部によって母材を加熱した後、母材を冷却する。このように母材を加熱することにより、積層開始から間もないうちに発生する、金属造形物の表面に形成される大きな凹凸やビード幅が狭く形成されてしまうといった問題の発生を抑制する。一方、金属積層工程において、温度調整部によって母材を加熱した後、母材を冷却することにより、金属造形物を成形するにつれてアーク溶接等の入熱によって蓄熱され高温になりビート幅が大きくなるといった問題を抑制する。したがって本実施形態の金属造形物の製造方法では、金属造形物の成形タイミングに依らず、一定のビート幅とすることができる。

【0011】

また、本発明に係る金属造形物の製造装置は、溶融した金属材料を積層し、金属造形物を成形する造形装置と、前記造形装置で前記金属造形物を成形しているとき、前記造形装置で金属が積層される母材と接触する温度調整部と、を備え、前記温度調整部は、熱を発生させる加熱装置を備えていてもよい。

【0012】

さらに本発明に係る金属造形物の製造装置では、温度調整部によって母材を加熱する。これにより、金属造形物を構成するために溶融した金属で母材の直上に成形された層に加え、母材に成形された層（下地層）上に順次、金属造形物を構成するために溶融した金属で成形された層は、母材に放熱される熱量が減少する。この結果、新たに積層された層は、下地層となじみやすくなるため、金属が積層された跡として金属造形物の表面に大きな凹凸が形成されることを抑制することができる。

【0013】

また、本発明に係る金属造形物の製造装置は、前記母材に前記金属造形物を成形する前に、前記温度調整部の前記加熱装置を稼働させる加熱モードに設定可能な制御部をさらに備えていてもよい。

【0014】

また、本発明に係る金属造形物の製造装置は、前記温度調整部は、周囲の熱を吸収する冷却装置を備え、前記制御部は、前記加熱モードとした状態で前記母材に前記金属造形物の成形を開始し、前記加熱モードを停止した後、前記温度調整部の前記冷却装置を稼働させる冷却モードに設定可能であってもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る金属造形物の製造方法及び金属造形物の製造装置によれば、金属が積層された跡として金属造形物の表面に大きな凹凸が形成されることを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る金属造形物の製造装置を模式的に示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る金属造形物の製造装置の温度調整部を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る金属造形物の製造方法を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の一実施形態に係る金属造形物の製造装置について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る金属造形物の製造装置を模式的に示す図である。図１に示すように、金属造形物の製造装置１は、ポジショナ（支持台）１０と、温調プレート（温度調整部）２０と、固定治具２６と、造形ロボット（造形装置）３と、を備えている。

【0018】

ポジショナ１０は、後述する金属造形物を支持可能である。ポジショナ１０は、例えば床面上に設置されている。ポジショナ１０は、回転台１１を有している。回転台１１の上面１１ｕは、水平面に沿う平面状である。回転台１１は、所定の方向（例えば鉛直方向）を軸線方向として軸線回りに回動可能とされている。なお、支持台として、ポジショナ１０の代わりに、回転しないテーブルを採用してもよい。

【0019】

温調プレート（温度調整部）２０は、ポジショナ１０の回転台１１の上面１１ｕに設置されている。温調プレート２０は、不図示の固定具でポジショナ１０の回転台１１に固定されていてもよい。

【0020】

図２は、温調プレート２０を示す図である。図２では、ケース２１を二点鎖線で示している。図２に示すように、温調プレート２０は、ケース２１と、冷却管(冷却装置)２２と、加熱部(加熱装置)２３と、を有している。

【0021】

ケース２１は、略直方体状をしている。ケース２１の内部には、空間が形成さている。なお、温調プレート２０には、温度制御のための温度計（不図示）が組み込まれていてもよい。あるいは、後述する金属造形物Ｗの表面温度を測定する放射温度計が別途設けられていてもよい。

【0022】

冷却管２２は、ケース２１に形成された挿通孔（不図示）から挿入され、ケース２１の内部で蛇行して配置されている。冷却管２２は、管状とされている。冷却管２２の内部に冷却水を流す（稼働する）ことにより、流れる冷却水に周囲の熱を吸収させて周囲を冷却する。

【0023】

加熱部２３は、例えばカートリッジヒータであり、ヒータに通電する（稼働する）ことにより、熱を発生させ、周囲を温める。加熱部２３及び冷却管２２は、ケース２１に形成された挿通孔（不図示）から挿入され、ケース２１の内部に配置されている。

【0024】

温調プレート２０では、不図示の制御部によって、冷却管２２に冷却水を循環させる冷却モードと、加熱部２３を加熱させる加熱モードと、を選択的に設定可能である。

【0025】

温調プレート２０は、ポジショナ１０の上面１１ｕ上に設置されている。ケース２１には、冷却管２２及び加熱部２３に干渉しない位置に、上下方向に貫通する取付孔（不図示）が形成されている。

【0026】

図１に示すように、ケース２１の上面２１ｕには、後述する母材Ｂが設置可能とされている。換言すると、温調プレート２０は、母材Ｂと接触可能である。本実施形態では、母材Ｂは、鉛直上方から見たとき、矩形を有する金属で構成されている。なお、母材Ｂは、鉛直上方から見たときの形状が矩形のものに限らず、円形のものであってもよい。平面視で、母材Ｂは、温調プレート２０よりも小さい。母材Ｂの四隅には、上下方向に貫通する取付孔（不図示）が形成されている。

【0027】

固定治具２６は、母材Ｂの上面Ｂｕに設置されている。平面視で、固定治具２６は、矩形の環状をしている。固定治具２６は、母材Ｂの外縁に沿って配置されている。固定治具２６の四隅には、上下方向に貫通する取付孔（不図示）が形成されている。

【0028】

ボルト等の固定具２８が、固定治具２６の取付孔及び母材Ｂの取付孔に挿通され、温調プレート２０の取付孔に締結されている。固定治具２６は、固定具２８によって、母材Ｂと共に温調プレート２０に固定されている。なお、固定具２８として、本実施例ではボルトを用いたものの、クランプ等であってもよい。固定具２８としてクランプを用いた場合、固定治具２６と母材Ｂに取付孔を設けることなく、固定治具２６を母材Ｂと共に温調プレート２０に固定することができる。

【0029】

造形ロボット３は、ロボットアーム３０と、溶接トーチ３１と、有している。造形ロボット３は、アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の３Ｄプリンタ（ＷＡＡＭ）であり、周知の構成である。

【0030】

ロボットアーム３０は、不図示のロボット本体から延びている。ロボットアーム３０の先端部には、溶接トーチ３１が設けられている。溶接トーチ３１には、不図示のワイヤ供給装置から溶接ワイヤ３２が供給されるようになっている。溶接ワイヤ３２の先端でアーク放電を行って、溶接ワイヤ３２を溶融し、これを母材Ｂに積層することによって、金属造形物Ｗを製造することができる。本実施形態では、金属造形物Ｗは、円筒状をしているが、形状は適宜設定可能である。

【0031】

次に、金属造形物の製造方法について説明する。
図３は、金属造形物の製造方法を示すフロー図である。図３に示すように、母材設置工程Ｓ１を行う。
支持台１０の上面１１ｕに、温調プレート２０を設置する。温調プレート２０の上面２１ｕに、母材Ｂを設置する。母材Ｂの上面Ｂｕに、固定治具２６を設置する。ボルト等の固定具２８を、固定治具２６の取付孔及び母材Ｂの取付孔に挿通して、温調プレート２０の取付孔に締結する。

【0032】

次に、金属積層工程Ｓ２を行う。
造形ロボット３を用いて、母材Ｂの上面Ｂｕに金属（金属材料）を積層して、金属造形物Ｗを成形する。金属造形物Ｗを積層して成形する前に、温調プレート２０を加熱モードにして、母材Ｂ（上面Ｂｕ）を予め加熱しておく（加熱工程）。これにより、金属が積層された跡として金属造形物Ｗの表面に大きな凹凸が形成されることを抑制することができる。
母材Ｂを予熱した後、造形ロボット３で母材Ｂの上面Ｂｕにおいて、溶接トーチ３１を用いて、溶接ワイヤ３２をアーク放電によって溶融させた金属を積層し、金属造形物Ｗの成形を行う。
温調プレート２０による母材Ｂの加熱は、母材Ｂの上面Ｂｕに金属造形物Ｗの成形開始後、母材Ｂの温度による影響、より具体的には母材Ｂへの放熱の影響が小さくなったとき、停止される。
そして、金属積層工程Ｓ２において、金属造形物Ｗの成形を開始するにつれて、母材Ｂへの放熱の影響が小さくなる一方、溶接ワイヤ３２を溶融させた熱が成形中の金属造形物Ｗに蓄熱されることによって生じる影響が大きくなる。そこで、金属積層工程Ｓ２において、温調プレート２０を加熱モードを停止した後、一転、温調プレート２０を冷却モードにして、母材Ｂ（上面Ｂｕ）を冷却する（冷却工程）。これにより、金属造形物Ｗを成形するにつれてビート幅が大きくなることを抑制し、金属造形物Ｗの成形タイミングに依らず、一定のビート幅とする。

【0033】

次に、固定具２８を外して、母材Ｂと一体となった金属造形物Ｗを温調プレート２０から取り外す。次の金属造形物の成形の際には、温調プレート２０を再利用することが可能である。

【0034】

このように構成された金属造形物の製造装置１及び金属造形物の製造方法によれば、金属積層工程Ｓ２で、金属造形物Ｗを母材Ｂに成形する前に、温調プレート２０によって母材Ｂを予め加熱する。これにより、金属造形物Ｗを構成するために溶融した金属で母材Ｂの直上に成形された層に加え、母材Ｂに成形された層（下地層）上に順次、金属造形物Ｗを構成するために溶融した金属で成形された層は、母材Ｂに放熱される熱量が減少する。この結果、新たに積層された層は、下地層となじみやすくなるため、金属が積層された跡として金属造形物Ｗの表面に大きな凹凸が形成されることを抑制することができる。

【0035】

また、通常、金属造形物Ｗの上側ではアーク溶接等の入熱によって蓄熱され高温になりビート幅が大きくなり、下側では母材Ｂに放熱され、すぐに固化するため、ビート幅が小さくなる。本実施形態の金属造形物の製造方法では、金属積層工程Ｓ２で、温調プレート２０によって母材Ｂを加熱した後、母材Ｂを冷却する。このように母材Ｂを加熱することにより、積層を開始してから間もないうちに発生する、金属造形物Ｗの表面に形成される大きな凹凸やビード幅が狭く形成されてしまうといった問題の発生を抑制する。一方、金属積層工程Ｓ２において、温調プレート２０によって母材Ｂを加熱した後、母材Ｂを冷却することにより、金属造形物Ｗを成形するにつれてアーク溶接等の入熱によって蓄熱され高温になりビート幅が大きくなるといった問題を抑制する。したがって本実施形態の金属造形物の製造方法では、金属造形物Ｗの成形タイミングに依らず、一定のビート幅とすることができる。

【0036】

また、固定治具２６が温調プレート２０との間に母材Ｂを挟み込んだ状態で、固定具２８によって固定治具２６は温調プレート２０に固定されている。ここで、金属造形物Ｗは、母材Ｂを部分的に熱で溶かし、母材Ｂと接合するようにして形成するため、母材Ｂは熱で溶けて膨張した状態から冷えて固まることで収縮した状態となるため、母材Ｂの反り（いわゆる溶接歪み）が生じる。しかしながら、母材Ｂが固定治具２６と温調プレート２０との間に挟み込まれるため、母材Ｂの反りが抑制される。

【0037】

また、温調プレート２０には、温度計が組み込まれており、金属造形物Ｗの温度制御をして、均一な幅や、要求する寸法精度の幅での造形が可能となる。

【0038】

また、常に同じ温度で積層を開始することができるため、常温で開始する場合と比較すると、金属造形物Ｗのばらつきを軽減することができる。

【0039】

また、金属造形物Ｗの形状に合わせた冷却装置自体の位置制御が不要であるため、制御がしやすい。

【0040】

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【符号の説明】

【0041】

１…金属造形物の製造装置
３…造形ロボット
１０…ポジショナ（支持台）
２６…固定治具
２８…固定具
Ｂ…母材
Ｓ１…母材設置工程
Ｓ２…金属積層工程
Ｗ…金属造形物

【図1】

【図2】

【図3】